WO2006109425A1 - 光造形方法 - Google Patents

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Kimitaka Morohoshi
Toshio Teramoto
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Jsr Corporation
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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
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    • B29C35/08—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to an optical modeling method for forming a solid image by selectively irradiating a photocurable resin solution with light and forming a three-dimensional image by sequentially laminating the cured resin layer. .
  • optical modeling method modeling is performed based on cross-sectional group data obtained by slicing a three-dimensional model to be modeled into a plurality of layers. Usually, first, light is applied to the surface of the photocurable resin solution in an area corresponding to the lowermost cross section. Then, the photocurable resin solution on the liquid surface portion irradiated with light is photocured, and a cured resin layer on one surface of the three-dimensional model is formed. Next, an uncured photocurable resin solution is coated on the surface of the cured resin layer with a predetermined thickness.
  • the cured resin layer it is common to coat the cured resin layer by immersing it in a photocurable resin solution filled in the resin tank by a predetermined thickness.
  • a relatively small amount of photocurable resin is applied to the entire surface by a recoater every time a single cured resin layer is formed.
  • laser beam scanning is performed on the surface along a predetermined pattern, and the coat layer portion irradiated with light is cured.
  • the cured part is laminated and integrated with the lower cured resin layer.
  • the desired three-dimensional model is formed by repeating the light irradiation and the coating of the photocurable resin solution while switching the cross section handled in the light irradiation process to an adjacent cross section (see Patent Document 1 and Patent Document 2). .
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 56-144478
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 62-35966
  • projection region When a three-dimensional model having a desired shape is to be formed by the stereolithography method, in addition to the method of irradiating only the part that needs to be cured by radiating light rays, (Referred to as “projection region”) There is a method of repeatedly executing batch exposure. In the latter method, for example, a digital mirror device (DMD) is used.
  • DMD digital mirror device
  • FIG. 4B the modeling area A is divided into projection areas Al, A2, and A3 corresponding to the light irradiation areas, and exposure data is created for each projection area.
  • the stereolithography apparatus performs exposure in such a way that the projection areas just touch each other with no gaps according to the exposure data created in this way.
  • Theoretically it is possible to form an integrated solid model by exposing in this way, but in reality, peeling or cracking may occur at the boundary between projection areas, or the exposed surface.
  • peeling or cracking may occur at the boundary between projection areas, or the exposed surface
  • unevenness occurred in the stacking direction, leading to deterioration of surface roughness and strength.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an optical modeling method capable of accurately forming a solid model having a desired shape. Means for solving the problem
  • a photocurable resin solution is selectively irradiated with light to form a cured resin layer, and the cured resin layer is sequentially laminated to form a three-dimensional model.
  • the light irradiation is performed by repeating collective exposure in units of projection regions, and the projection regions are provided with an overlapping region at a boundary portion between adjacent projection regions.
  • the stereo model can be formed with higher accuracy by using the stereolithography method according to the present invention.
  • a three-dimensional model can be formed with higher accuracy by using the optical modeling method according to the present invention.
  • the exposure amount in the overlapping region it is preferable to adjust the exposure amount in the overlapping region to be equal to the exposure amount other than the overlapping region.
  • the exposure amount of the overlapping region in the first projection region decreases as the second projection region is approached. It is desirable that the amount of exposure of the overlapping area in decreases as it approaches the first projection area.
  • the first projection region The exposure amount of the overlap area in the projection area is approximately half of the exposure amount other than the overlap area, and the exposure amount of the overlap area in the second projection area is approximately half of the exposure amount other than the overlap area. Hope to be.
  • the position of the overlapping region may be shifted between adjacent cured resin layers, or the shape of the overlapping region may be changed.
  • the stereolithography method according to the present invention is suitably used when the photocurable resin solution is cured by light reflected by a digital mirror device.
  • stereolithography method of the present invention it is possible to provide a stereolithography method capable of accurately forming a three-dimensional model having a desired shape.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical modeling apparatus according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining an optical modeling method according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 2B is a diagram for explaining the stereolithography method according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 2C is a diagram for explaining an optical shaping method according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining an optical modeling method according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining an optical modeling method according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 3C is a diagram for explaining an optical shaping method according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining a conventional stereolithography method.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining a conventional stereolithography method.
  • the optical modeling apparatus 100 includes a light source 1, a digital mirror device (DMD) 2, a lens 3, a modeling table 4, a dispenser 5, a recoater 6, a control unit 7, and a storage unit 8.
  • DMD digital mirror device
  • the optical modeling apparatus 100 includes a light source 1, a digital mirror device (DMD) 2, a lens 3, a modeling table 4, a dispenser 5, a recoater 6, a control unit 7, and a storage unit 8.
  • the light source 1 generates a laser beam.
  • a laser diode (LD) or an ultraviolet (UV) lamp that generates 405 nm laser light is used.
  • Digital Mirror Device (DMD) 2 is a device developed by Texas' Instrument, Inc., which has hundreds of thousands to millions of micromirrors that move independently on CMOS semiconductors, for example, 480,000 to 1.31 million. It is laid down.
  • a powerful micromirror can be tilted about ⁇ 10 degrees, for example, about ⁇ 12 degrees about the diagonal line by an electrostatic field action.
  • the micromirror has a square shape in which the length of one side of the pitch of each micromirror is about 10 m, for example, 13.68 m.
  • the interval between adjacent micromirrors is, for example, 1 / zm.
  • the entire DMD 2 used in Embodiment 1 has a square shape of 40.8 ⁇ 31.8 mm (of which the mirror portion has a square shape of 14.0 ⁇ 10.5 mm), and one side The length of force ⁇ 13. 68 m micromirror composed of 786, 432 even! Until the DMD 2i, the laser beam emitted from the light source 1 is reflected by the individual micromirrors, and only the laser beam reflected by the micromirrors controlled by the control unit 7 at a predetermined angle is collected. Irradiate the photocurable resin 9 on the modeling table 4 through the optical lens 3.
  • the lens 3 guides the laser beam reflected by the DMD 2 onto the photocurable resin 9 to form a projection area.
  • the lens 3 may be a condensing lens using a convex lens or a concave lens. By using a concave lens, a projection area larger than the actual size of DSM can be obtained.
  • the lens 3 according to the first embodiment is a condensing lens, and reduces incident light about 15 times and condenses it on the photocurable resin 9.
  • the modeling table 4 is a flat table on which hardened resin is sequentially deposited and placed.
  • the modeling table 4 can be moved horizontally and vertically by a driving mechanism (not shown), that is, a moving mechanism. With this drive mechanism, stereolithography can be performed over a desired range.
  • the dispenser 5 accommodates the photocurable resin 10 and supplies a predetermined amount of the photocurable resin 10 to a predetermined position.
  • the recoater 6 includes, for example, a blade mechanism and a moving mechanism, and uniformly coats the photocurable resin 10.
  • the control unit 7 controls the light source 1, DMD 2, modeling tape 4, dispenser 5, and recoater 6 according to control data including exposure data.
  • the control unit 7 can typically be configured by installing a predetermined program in a computer.
  • a typical computer configuration includes a central processing unit (CPU) and memory.
  • the CPU and memory are connected to an external storage device such as a hard disk device as an auxiliary storage device via a nose.
  • This external storage device functions as the storage unit 8 of the control unit 7.
  • a storage medium driving device such as a flexible disk device, a hard disk device, or a CD-ROM drive is connected to a bus via various controllers.
  • a portable storage medium such as a flexible disk is inserted into a storage medium driving apparatus such as a flexible disk device.
  • the storage medium can store a predetermined computer program for executing the present embodiment by giving an instruction to the CPU or the like in cooperation with the operating system.
  • the storage unit 8 stores control data including exposure data of cross-sectional groups obtained by slicing a three-dimensional model to be modeled into a plurality of layers. Based on the exposure data stored in the storage unit 8, the control unit 7 mainly controls the angle of each micro mirror in the DMD 2, The movement of the modeling table 4 (that is, the position of the laser light irradiation range with respect to the three-dimensional model) is controlled, and the modeling of the three-dimensional model is executed.
  • the computer program is executed by being loaded into a memory.
  • the computer program can be compressed or divided into a plurality of parts and stored in a storage medium.
  • user interface nodeware can be provided. Examples of the user interface nodeware include a pointing device for inputting such as a mouse, a keyboard, or a display for presenting visual data to the user.
  • a resin that is cured by visible light and light outside the visible light region can be used.
  • 405 nm-compatible acrylic resin having a curing depth of 15 m or more (500 mjZcm 2 ) and a viscosity of 1500 to 2500 Pa ⁇ s (25 ° C) can be used.
  • an uncured photocurable resin 10 is accommodated in the dispenser 5.
  • the shaping table 4 is in the initial position.
  • the dispenser 5 supplies a predetermined amount of the stored photocurable resin 10 on the molding table 4.
  • the recoater 6 sweeps the photocurable resin 10 as it is stretched and forms a coat layer for one layer to be cured.
  • the laser beam emitted from the light source 1 enters the DMD 2.
  • the DMD 2 is controlled by the control unit 7 in accordance with the exposure data stored in the storage unit 8 and adjusts the angle of the micro mirror corresponding to the portion that irradiates the photocurable resin 10 with the laser beam.
  • the laser beam reflected from the microphone mirror is irradiated to the photocurable resin 10 via the condenser lens 3, and the laser beam reflected from the other micromirrors is not irradiated to the photocurable resin 10.
  • the photocurable resin 10 is irradiated with a laser beam for 0.4 seconds, for example.
  • the projection area onto the photocurable resin 10 is, for example, about 1.3 ⁇ 1.8 mm, and can be reduced to about 0.6 ⁇ 0.9 mm. In general, the area of the projection region is preferably 100 mm 2 or less.
  • the projection area can be expanded to about 6 X 9 cm.
  • the laser is irradiated onto the projection area Since the energy density of one light beam is lowered, the curing of the photocurable resin 10 may be insufficient.
  • it is necessary to move the irradiation position of the laser beam and irradiate the entire modeling area, for example, by horizontally moving the modeling table 4 using a moving mechanism. There is. Perform laser irradiation one shot per projection area. The control of laser beam irradiation to each projection area will be described in detail later.
  • the lamination pitch for one layer is, for example, 1 to 50 ⁇ m, preferably 2 to 10 ⁇ m, and more preferably 5 to 10 ⁇ m.
  • the second layer of the three-dimensional model having a desired shape is simultaneously formed in the same process.
  • the photocurable resin 10 supplied from the dispenser 5 is applied to the outside of the cured resin layer formed as the first layer so that the recoater 6 extends the solid model beyond the three-dimensional model.
  • a second cured resin layer is formed on the first cured resin layer by irradiating with a laser beam.
  • the third and subsequent cured resin layers are sequentially deposited.
  • the modeled object formed on the modeling table 4 is taken out.
  • the molded article can be further cured by removing the photocurable resin solution adhering to the surface by washing or other methods, and irradiating or heating with a UV lamp or the like as necessary.
  • FIGS. Fig. 2A is a top view showing the shape of the 3D model to be modeled
  • Fig. 2B is a diagram showing the positional relationship between multiple projection areas and the 3D model
  • Fig. 2C is on XX 'in Fig. 2B. It is a graph which shows the exposure amount in each position. Note that the dotted lines extending downward in FIG. 2B are connected to the dotted lines extending upward in FIG. 2C, respectively.
  • A is a modeling area including the three-dimensional model.
  • the powerful modeling area A is simply divided into projection areas corresponding to the laser beam irradiation range.
  • the projection area is 1Z3 size of modeling area A, and the conventional stereolithography method is used. According to the law, each projection area is divided into three so as not to overlap, but in this embodiment, exposure is performed with four projection areas.
  • the projection area A1 is an area that forms an irradiable range from the left end of the modeling area A.
  • the projection area A2 is an area arranged so that the left end thereof overlaps the projection area A1. That is, an overlapping area B1 is formed at the boundary between the projection area A1 and the projection area A2.
  • the projection area A3 is arranged so that the left end thereof overlaps the projection area A2. That is, the projection area A2 and the projection area A3 overlap with each other at the boundary portion to form the area B2.
  • the projection area A4 is arranged so that the left end thereof overlaps the projection area A3. That is, the projection area A3 and the projection area A4 have an overlapping area B3 formed at the boundary between them.
  • the width of the overlapping portions Bl, B2, B3 is, for example, several ⁇ m to several hundred ⁇ m.
  • the exposure dose is higher in the overlapping areas Bl, B2, and B3 than in other areas as shown in Fig. 2C.
  • the In this example, the exposure amount of the overlapping areas Bl, B2, B3 is about twice that of the other areas.
  • the exposure is performed so as to be overlapped at the boundary portion of the projection area according to the exposure data created in this way. It can prevent peeling and cracking at the boundary, and unevenness in the exposure surface and stacking direction, can improve the surface roughness and strength, and accurately form a solid model of the desired shape. be able to.
  • the exposure amount at one time in each projection region is made substantially uniform within the projection region, so the exposure amount in the overlapping region at the boundary portion of the projection region is higher than that in the other regions. It was a quantity. For this reason, in the overlapping region, the range of curing of the resin is widened, and there is a possibility that an excess resin cured part is generated. Such an extra cured resin portion becomes one of the causes of warping deformation over time. Especially for micro stereolithography with a batch exposure area of 250 mm 2 or less! The adverse effect of uneven exposure is significant.
  • the exposure amount of the overlapping portion (the total exposure amount exposed in an overlapping manner) is adjusted so as to be equal to the exposure amount of the region other than the overlapping portion, that is, the exposure energy amount density. I made it. More specifically, the same control as that used to shade the screen display, that is, by repeatedly varying the DMD2 micromirror angle at a constant frequency within one exposure time to the exposure area.
  • the exposure amount can be controlled by adjusting the irradiation time of the laser light from each micromirror.
  • the exposure amount can be controlled by the same control as the control for adding shading on the screen display in DMD2, and thus the same data format can be shared.
  • a bitmap format or the like that is a format for surface display can be used.
  • FIG. 3A is the same diagram as FIG. 2B, and will be referred to to show the exposure position in FIGS. 3B and 3C.
  • the dotted line extending downward in FIG. 3A is connected to the dotted line extending upward in FIG. 3B.
  • the exposure amount in the overlapping area B1 gradually decreases as it approaches the projection area A2 side. That is, in the projection area A1, the exposure amount of the overlapping area B1 decreases in proportion to approaching the end on the projection area A2 side.
  • the exposure amount in the overlapping area B1 decreases stepwise as it approaches the projection area A1 side.
  • the exposure amount of the overlapping area B1 decreases proportionally as it approaches the end on the projection area A1 side. More specifically, the amount of exposure that can be controlled by the same control as that used to shade the screen display is based on the area irradiated by the laser light from each micromirror.
  • the amount of exposure in the overlapping area B1 shown in Fig. 3B does not change continuously with respect to the exposure position. It changes stepwise according to the number of micromirrors.
  • the amount of exposure in the overlapping area B1 is basically the force that is the sum of the exposure amount in the projection area A1 and the exposure amount in the projection area A2, where the exposure amount in the other area is 1. Same as 1. However, it is not always necessary that the exposure amounts of the overlapping region and the other regions are strictly equal. It is preferable to adjust the exposure amount appropriately according to the photocurable resin used and the light source to be exposed.
  • the exposure amount is controlled so that the overlapping regions B2 and B3 have the same 1 as the exposure amount of the other regions. Therefore, the exposure amount of the laser beam irradiation area including the overlapping areas Bl, B2, and B3 is uniform and kept uniform.
  • the stereolithography method according to the second exemplary embodiment it is possible to suppress the generation of an excessive cured resin portion and to form a three-dimensional model having a desired shape with high accuracy.
  • the change in the exposure amount is gradual, so even if there is a deviation in the projection area due to the extreme change in the exposure amount, unevenness in the degree of curing will be caused. There is an advantage that it is hard to occur!
  • the change in decrease or increase in the exposure amount in the overlapping region may be expressed by a linear expression, or may be expressed by a secondary or higher order expression.
  • the exposure amount may be adjusted as shown in FIG. 3C. That is, the exposure amount in the overlap region B1 in the projection region A1 is 0.5, which is half of the other regions, and the exposure amount in the overlap region B1 in the projection region A2 is also 0.5. Therefore, the exposure amount in the overlapping region B1 is basically the sum of the exposure amount in the projection region A1 and the exposure amount in the projection region A2, but is the same as the exposure amount in other regions. Similar to the overlap region B1, the exposure amount is controlled so that the overlap amount in the overlap regions B2 and B3 is the same as the exposure amount in the other regions. Therefore, the exposure amount of the portion where the three-dimensional model exists, including the overlapping regions Bl, B2, and B3, is uniform and kept uniform. Accordingly, even in this case, the generation of an excessive resin cured portion can be suppressed, and a three-dimensional model having a desired shape can be formed with high accuracy.
  • an overlapping area is provided at the boundary between adjacent projection areas.
  • the DMD is used as a device for modulating the light emitted from the light source.
  • the present invention is not limited to this, and a liquid crystal device capable of adjusting the light transmission amount for each minute region, that is, for each pixel is used. May be.
  • DMD is preferable to liquid crystal devices in terms of contrast.
  • the shape of the overlapping area itself may be different between adjacent layers.
  • stereolithography method that can be applied to the present invention can be used, for example, in the manufacture of microreactors, micromechanical parts, micro-mouth optical devices, microsensors, optical parts, and the like.

Description

明 細 書
光造形方法
技術分野
[0001] 本発明は、光硬化性榭脂液に選択的に光を照射して硬化榭脂層を形成し、該硬 化榭脂層を順次積層して立体像を形成する光造形方法に関する。
背景技術
[0002] 光硬化造形方法 (以下、「光造形方法」という。）では、造形しょうとする立体モデル を複数の層にスライスして得られる断面群のデータに基づいて造形する。通常、最初 に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性榭脂液の液面に光線を照射す る。すると光照射された液面部分の光硬化性榭脂液は光硬化し、立体モデルの一断 面の硬化榭脂層が造形される。次いで、この硬化榭脂層の表面に未硬化状態の光 硬化性榭脂液を所定の厚みでコートする。このとき、硬化榭脂層を所定の厚み分だ け、榭脂槽に満たされた光硬化性榭脂液に沈めてコートすることが一般的である。ま た、比較的少量の光硬化性榭脂を一層の硬化榭脂層を形成する毎にリコータにより 全面に塗布することも行われる。そして、この表面に所定パターンに沿ってレーザ光 線走査を行ない、光照射したコート層部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の硬 化榭脂層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り 替えながら、光照射と光硬化性榭脂液のコートを繰り返すことによって、所望の立体 モデルを造形する（特許文献 1および特許文献 2参照)。
[0003] 特許文献 1：特開昭 56— 144478号公報
特許文献 2：特開昭 62— 35966号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 所望の形状の立体モデルを光造形方法によって形成しょうとする場合、光線を走 查して、硬化させる必要がある部分のみ光線を照射する手法の他に、一定の領域毎 に (以下、「投影領域」という。）一括露光を繰り返し実行する手法がある。後者の手法 においては、例えば、ディジタルミラーデバイス（DMD)が用いられる。 図 4Aに示されるような造形領域 A中に矢印形状 91の造形を行なう場合について 説明する。この場合、図 4Bに示されるように、造形領域 Aを光線照射領域に相当す る投影領域 Al、 A2、 A3に分けて、それぞれの投影領域毎に露光データを作成す る。
[0005] 光造形装置は、このようにして作成された露光データに応じて、投影領域が隙間な く丁度接するようにして露光する。理論的には、このように露光することによって一体 ィ匕された立体モデルを造形することが可能であるが、実際には、投影領域間の境界 部分において、剥がれや割れが生じたり、露光面や積層方向に凹凸が発生し、表面 粗度の劣化、強度の劣化につながるという問題があった。
[0006] 本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、所望の形状の立 体モデルを精度良く形成することができる光造形方法を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0007] 本発明にかかる光造形方法は、光硬化性榭脂液に選択的に光を照射して硬化榭 脂層を形成し、該硬化榭脂層を順次積層して立体モデルを形成する光造形方法で あって、前記光の照射は、投影領域を単位として一括露光を繰り返すことにより実行 し、当該投影領域は、隣接する投影領域の境界部分に重なり領域を設けたものであ る。
[0008] ここで、前記投影領域の面積が 100mm2以下の場合に、本発明にかかる光造形方 法を用いれば、より精度良く立体モデルを形成することができる。
同様に、前記硬化榭脂層の 1層の厚さは 10 m以下の場合に、本発明にかかる光 造形方法を用いれば、より精度良く立体モデルを形成することができる。
また、前記重なり領域における露光量を当該重なり領域以外の露光量と同等に調 整することが好ましい。
さらに、第 1の投影領域と第 2の投影領域における重なり領域に関して、当該第 1の 投影領域における重なり領域の露光量は、前記第 2の投影領域に近づくにつれて減 少し、前記第 2の投影領域における重なり領域の露光量は、前記第 1の投影領域に 近づくにつれて減少して 、ることが望まし 、。
[0009] 若しくは、第 1の投影領域と第 2の投影領域における重なり領域に関して、当該第 1 の投影領域における重なり領域の露光量は、当該重なり領域以外の露光量の略半 分であり、前記第 2の投影領域における重なり領域の露光量は、当該重なり領域以 外の露光量の略半分であることが望まし 、。
また、隣接する硬化榭脂層間で、前記重なり領域の位置をずらしたり、前記重なり 領域の形状を変えるとよい。
本発明にかかる光造形方法は、前記光硬化性榭脂液を、ディジタルミラーデバイス によって反射された光によって硬化させる場合に好適に用いられる。
発明の効果
[0010] 本発明の光造形方法により、所望の形状の立体モデルを精度良く形成することが 可能な光造形方法を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]発明の実施の形態 1にかかる光造形装置の概略構成を示す図である。
[図 2A]発明の実施の形態 1にかかる光造形方法を説明するための図である。
[図 2B]発明の実施の形態 1にかかる光造形方法を説明するための図である。
[図 2C]発明の実施の形態 1にかかる光造形方法を説明するための図である。
[図 3A]発明の実施の形態 2にかかる光造形方法を説明するための図である。
[図 3B]発明の実施の形態 2にかかる光造形方法を説明するための図である。
[図 3C]発明の実施の形態 2にかかる光造形方法を説明するための図である。
[図 4A]従来の光造形方法を説明するための図である。
[図 4B]従来の光造形方法を説明するための図である。
符号の説明
[0012] 1 光源
2 DMD
3 集光レンズ
4 造形テーブル
5 デイスペンサ
6 リコータ
7 制御部 8 記憶部
9 光硬化性榭脂
10 光硬化性榭脂
100 光造形装置
発明を実施するための最良の形態
[0013] 以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の 実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではな い。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略ィ匕がなされている。 又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に 変更、追加、変換することが可能である。
[0014] 発明の実施の形態 1.
図 1を用いて、本発明にかかる光造形方法に使用される光硬化造形装置 (以下、「 光造形装置」という）の一例について説明する。光造形装置 100は、光源 1、ディジタ ルミラーデバイス（DMD) 2、レンズ 3、造形テーブル 4、デイスペンサ 5、リコータ 6、制 御部 7、記憶部 8を備えている。
[0015] 光源 1は、レーザ光線を発生させる。光源 1には、例えば、 405nmのレーザ光を発 生させるレーザダイオード (LD)や紫外線 (UV)ランプが用いられる。
ディジタルミラーデバイス（DMD) 2は、テキサス 'インスツルメンッ社によって開発さ れたデバイスであり、 CMOS半導体上に独立して動くマイクロミラーが数十万〜数百 万個、例えば、 48万〜 131万個敷き詰められている。力かるマイクロミラーは、静電 界作用によって対角線を軸に約 ± 10度、例えば、 ± 12度程度傾けることが可能であ る。マイクロミラーは、各マイクロミラーのピッチの 1辺の長さが約 10 m、例えば、 13 . 68 mの四角形の形状を有している。隣接するマイクロミラーの間隔は、例えば 1 /z mである。本実施の形態 1で用いた DMD2の全体は、 40. 8 X 31. 8mmの四角 形状を有し（うち、ミラー部は、 14. 0 X 10. 5mmの四角形状を有する。）、 1辺の長さ 力 ^13. 68 mのマイクロミラー 786, 432偶により構成されて!ヽる。当該 DMD2iま、 光源 1から出射されたレーザ光線を個々のマイクロミラーによって反射させ、制御部 7 によって所定の角度に制御されたマイクロミラーによって反射されたレーザ光のみ集 光レンズ 3を介して造形テーブル 4上の光硬化性榭脂 9に照射する。
レンズ 3は、 DMD2によって反射されたレーザ光線を光硬化性榭脂 9上に導き、投 影領域を形成する。レンズ 3は、凸レンズを用いた集光レンズであってもよいし、凹レ ンズを用いてもよい。凹レンズを用いると、 DSMの実サイズよりも大きな投影領域を 得ることができる。本実施の形態 1にかかるレンズ 3は、集光レンズであって、入射光 を約 15倍縮小し、光硬化性榭脂 9上に集光している。
造形テーブル 4は、硬化させた榭脂を順次堆積させ、載置する平板状の台である。 この造形テーブル 4は、図示しない駆動機構、即ち移動機構によって、水平移動及 び垂直移動が可能である。この駆動機構により、所望の範囲に亘つて光造形を行な うことができる。
デイスペンサ 5は、光硬化性榭脂 10を収容し、予め定められた量の光硬化性榭脂 1 0を所定位置に供給する。
リコータ 6は、例えば、ブレード機構と移動機構を備え、光硬化性榭脂 10を均一に 塗布する。
制御部 7は、露光データを含む制御データに応じて光源 1、 DMD2、造形テープ ル 4、デイスペンサ 5、リコータ 6を制御する。制御部 7は、典型的には、コンピュータに 所定のプログラムをインストールすることによって構成することができる。典型的なコン ピュータの構成は、中央処理装置（CPU)とメモリとを含んでいる。 CPUとメモリとは、 ノ スを介して補助記憶装置としてのハードディスク装置などの外部記憶装置に接続 される。この外部記憶装置が、制御部 7の記憶部 8として機能する。であるフレキシブ ルディスク装置、ハードディスク装置、 CD— ROMドライブ等の記憶媒体駆動装置は 、各種コントローラを介してバスに接続される。フレキシブルディスク装置等の記憶媒 体駆動装置には、フレキシブルディスク等の可搬型記憶媒体が挿入される。記憶媒 体にはオペレーティングシステムと協働して CPUなどに命令を与え、本実施形態を 実施するための所定のコンピュータプログラムを記憶することができる。
記憶部 8には、造形しょうとする立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面 群の露光データを含む制御データが格納されている。制御部 7は、記憶部 8に格納さ れた露光データに基づいて、主として DMD2における各マイクロミラーの角度制御、 造形テーブル 4の移動（即ち、立体モデルに対するレーザ光の照射範囲の位置）を 制御し、立体モデルの造形を実行する。
[0017] コンピュータプログラムは、メモリにロードされることによって実行される。コンビユー タプログラムは圧縮し、又、複数に分割して記憶媒体に記憶することができる。さらに 、ユーザ.インターフェース.ノヽードウエアを備えることができる。ユーザ.インターフエ 一ス.ノヽードウエアとしては、例えば、マウスなどの入力をするためのポインティング' デバイス、キーボード、あるいは視覚データをユーザに提示するためのディスプレイ などがある。
光硬化性榭脂 10には、可視光及び可視光領域外の光によって硬化する榭脂を使 用することができる。例えば、 15 m以上（500mjZcm2)の硬化深度を有し、粘度 が 1500〜2500Pa · s (25°C)の 405nm対応のアクリル系榭脂を用いることができる
[0018] 次に、本実施の形態 1にかかる光造形装置 100の光造形動作について説明する。
まず、デイスペンサ 5に未硬化状態の光硬化性榭脂 10を収容する。造形テーブル 4 は初期位置にある。デイスペンサ 5は、収容された光硬化性榭脂 10を所定量だけ造 形テーブル 4上に供給する。リコータ 6は、光硬化性榭脂 10を引き伸ばすようにして 掃引し、硬化させる一層分のコート層を形成する。
光源 1から出射したレーザ光線は、 DMD2に入射する。 DMD2は記憶部 8に格納 された露光データに応じて制御部 7により制御され、レーザ光線を光硬化性榭脂 10 に照射する部分に対応したマイクロミラーの角度を調整する。これにより、そのマイク 口ミラーを反射したレーザ光線が集光レンズ 3を介して光硬化性榭脂 10に照射され、 その他のマイクロミラーを反射したレーザ光線は光硬化性榭脂 10に照射されない。 光硬化性榭脂 10へのレーザ光線の照射は例えば 0. 4秒間行なわれる。このとき、光 硬化性榭脂 10への投影領域は例えば、 1. 3 X 1. 8mm程度であり、 0. 6 X 0. 9m m程度まで縮小することもできる。投影領域の面積は、通常、 100mm2以下であるこ とが望ましい。
レンズ 3に、凹レンズを用いることにより、投影領域を 6 X 9cm程度まで拡大すること もできる。投影領域をこのサイズを超えて拡大すると、投影領域に照射されるレーザ 一光線のエネルギー密度が低くなるため、光硬化性榭脂 10の硬化が不十分となるこ とがある。 レーザ光線の投影領域のサイズよりも大き ヽ立体モデルを形成する場合 には、例えば造形テーブル 4を移動機構によって水平移動させることにより、レーザ 光線の照射位置を移動させて全造形領域を照射する必要がある。投影領域毎に 1シ ヨットずつレーザ光線の照射を実行して 、く。各投影領域に対するレーザ光線の照射 の制御については後に詳述する。
このようにして、投影領域を移動させて、各投影領域を単位としてレーザ光線の照 射、即ち露光を実行することによって、光硬化性榭脂 10が硬化し、第 1層目の硬化 榭脂層が形成される。 1層分の積層ピッチ、すなわち、硬化榭脂層 1層の厚み、は、 例えば、 1〜50 μ m、好ましくは、 2〜10 μ m、さらに好ましくは、 5〜10 μ mである。
[0019] 続、て、同様の工程で所望形状の立体モデルの 2層目を同時形成する。具体的に は、 1層目として形成された硬化榭脂層の外側にデイスペンサ 5より供給された光硬 化性榭脂 10をリコータ 6によって立体モデルを越えて引き伸ばされるように均一厚さ に塗布する。そして、レーザ光線を照射することにより、第 2層目の硬化榭脂層を第 1 層目の硬化榭脂層の上に形成する。以下同様にして第 3層目以降の硬化榭脂層を 順次堆積させる。そして、最終層の堆積が終了すると、造形テーブル 4上に形成され た造形物を取り出す。造形物は、表面に付着した光硬化性榭脂液を洗浄その他の 方法で除去し、必要に応じて紫外線ランプ等により照射し又は加熱して、硬化を更に 進行させることができる。
[0020] 続いて、図 2A〜Cを用いて、本実施の形態 1にかかる光造形方法につき、詳細に 説明する。図 2Aは造形しょうとする立体モデルの形状を示す上面図であり、図 2Bは 複数の投影領域と立体モデルの位置関係を示した図であり、図 2Cは図 2Bの X—X' 上の各位置における露光量を示すグラフである。尚、図 2Bの下方に延びる点線は、 図 2Cの上方に延びる点線とそれぞれ連結している。
図 2Aに示されるように、本例では、上面視で矢印形状の立体モデルを造形する場 合について説明する。図中 Aは、当該立体モデルを含む造形領域である。従来は、 力かる造形領域 Aを単純にレーザ光線の照射可能範囲に相当する投影領域に分割 した。この例では、投影領域は、造形領域 Aの 1Z3のサイズであり、従来の光造形方 法では、各投影領域が重複することの無いように 3分割していたが、本実施の形態で は、 4つの投影領域により露光することとした。
[0021] 具体的には、図 2Bに示されるように、 4つの投影領域 Al、 A2、 A3、 A4によって露 光する。投影領域 A1は造形領域 Aの左端から照射可能範囲をなす領域である。投 影領域 A2は、その左端が投影領域 A1と重なるようにして配置された領域である。即 ち、投影領域 A1と投影領域 A2とはその境界部分において重なり領域 B1が形成さ れている。同様にして、投影領域 A3は、その左端が投影領域 A2と重なるようにして 配置されている。即ち、投影領域 A2と投影領域 A3とはその境界部分において重な り領域 B2が形成されている。さらに投影領域 A4は、その左端が投影領域 A3と重な るようにして配置されている。即ち、投影領域 A3と投影領域 A4とはその境界部分に お 、て重なり領域 B3が形成されて 、る。
重なり部分 Bl、 B2、 B3の幅は、例えば数 μ m〜数 100 μ mである。
[0022] このようにレーザ光線を投影するためには、 1つ 1つの投影領域における露光形状 が図 2Bに示されるような形状になるように露光データを作成する必要がある。また、 重なり領域 Bl、 B2、 B3が生じるように立体モデルに対するレーザ光線の照射位置 が移動するように露光データを作成する必要がある。即ち、造形テーブルを移動させ る移動手段に対して、重なり領域 Bl、 B2、 B3が生じるように移動させる露光データ を作成する必要がある。
図 2Bの如ぐ光硬化性榭脂に対してレーザ光線を照射した場合、露光量は、図 2C のように、重なり領域 Bl、 B2、 B3において、それら以外の領域よりも高い露光量とな る。この例では、重なり領域 Bl、 B2、 B3の露光量は、それら以外の領域の約 2倍で ある。
[0023] 本実施の形態 1にかかる光造形方法によれば、このようにして作成された露光デー タに応じて、投影領域の境界部分で重なりができるように露光するので、投影領域間 の境界部分において剥がれや割れが生じたり、露光面や積層方向に凹凸が発生す ることを防止でき、表面粗度及び強度の向上を図ることができ、所望形状の立体モデ ルを精度良く形成することができる。
[0024] 発明の実施の形態 2. 発明の実施の形態 1では、各投影領域における 1回の露光量を投影領域内で略均 一としたため、投影領域の境界部分における重なり領域における露光量は、それ以 外の領域よりも高い露光量となっていた。このため、重なり領域において、榭脂硬化 範囲が広がり、余分な榭脂硬化部分を発生させる可能性がある。かかる余分な榭脂 硬化部分は、経時的にみると反り変形の要因の一つなる。特に、一括で照射する露 光面積が 250mm2以下のマイクロ光造形にお!、ては、露光量が不均一であることに よる悪影響が大きい。
そこで、本実施の形態 2では、重なり部分の露光量 (重複して露光される合計の露 光量)を調整し、重なり部分以外の領域の露光量、即ち露光エネルギー量密度と同 等になるようにした。具体的には、画面表示上に濃淡をつける制御と同様の制御、す なわち、露光領域への 1回の露光時間内で、 DMD2のマイクロミラーの角度を一定 振動数で繰り返し変動させることにより各マイクロミラーからのレーザ光の照射時間を 調整することによって露光量を制御することができる。このように、本発明の実施の形 態では、 DMD2において画面表示上に濃淡をつける制御と同様の制御により露光 量を制御できるため、これと同じデータフォーマットを共有でき、例えば、一般的な画 面表示用のフォーマットであるビットマップ形式等を用いることができる。
図 3Aは、図 2Bと同じ図であり、図 3B、図 3Cにおける露光位置を示すために参照 する。尚、図 3Aの下方に延びる点線は、図 3Bの上方に延びる点線とそれぞれ連結 している。図 3Bに示されるように、投影領域 A1において重なり領域 B1における露光 量が投影領域 A2側に近づくつれて段階的に減少するようにしている。即ち、投影領 域 A1にお 、て重なり領域 B1の露光量は投影領域 A2側の端部に近づくにつれて正 比例して減少している。一方、投影領域 A2において重なり領域 B1における露光量 は投影領域 A1側に近づくつれて段階的に減少するようにしている。即ち、投影領域 A2において重なり領域 B1の露光量は投影領域 A1側の端部に近づくにつれて正比 例して減少している。より詳細に述べると、画面表示上に濃淡をつける制御と同様の 制御により露光量を制御できるのは、各マイクロミラーからのレーザ光により照射され る領域を単位とするものであるため、厳密には、図 3Bに示す重なり領域 B1の露光量 は、露光位置に対して連続的に変化するものではなぐ重なり領域 B1が露光位置に 対するマイクロミラーの個数に応じて段階的に変化する。 重なり領域 B1における露 光量は、基本的に、投影領域 A1による露光量と投影領域 A2による露光量の和とな る力 他の領域の露光量を 1としたとき、当該他の領域の露光量と同じ 1となる。但し、 重なり領域とその他の領域の露光量が必ずしも厳密に等しい必要はなぐ用いられる 光硬化性榭脂、露光する光源によって適宜適切な露光量に調整することが好ましい
[0026] 重なり領域 B1と同様に、重なり領域 B2、 B3においても、他の領域の露光量と同じ 1 となるように、露光量が制御されている。従って、重なり領域 Bl、 B2、 B3を含む、レ 一ザ光線の照射領域の露光量は均一であり、一様に保たれる。
従って、本実施の形態 2にかかる光造形方法によれば、余分な榭脂硬化部分の発 生を抑制することができ、所望形状の立体モデルを精度良く形成することができる。 特に、図 3Bに示されるように露光量を調整すると、露光量の変化が緩やかであるた め、露光量の極端な変化がなぐ仮に投影領域にずれが生じたとしても、硬化度合い のムラが生じにく!ヽと 、う利点がある。
尚、重なり領域における露光量の減少或いは増加の変化は、 1次式で表わされるも のであってよぐ 2次以降の高次の式で表わされるものであってもよい。
[0027] 露光量の調整は、図 3Cに示されるようにしてもよい。即ち、投影領域 A1において 重なり領域 B1における露光量を他の領域の半分の 0. 5とし、投影領域 A2において 重なり領域 B1における露光量も 0. 5とする。従って、重なり領域 B1における露光量 は、基本的に投影領域 A1による露光量と投影領域 A2による露光量の和となるが、 他の領域の露光量と同じ 1となる。重なり領域 B1と同様に、重なり領域 B2、 B3にお いても、他の領域の露光量と同じ 1となるように、露光量が制御されている。従って、 重なり領域 Bl、 B2、 B3を含む、立体モデルが存在する部分の露光量は均一であり 、一様に保たれる。従って、この場合においても、余分な榭脂硬化部分の発生を抑 制することができ、所望形状の立体モデルを精度良く形成することができる。
[0028] その他の実施の形態.
上述の例では隣接する投影領域の境界部分に重なり領域を設けるようにしたが、 重なり領域を設けるモードと、重なり領域を設けな 、モードを切り換える機能を光造 形装置に備えるようにしてもょ 、。
上述の例では、横一列に投影領域が並んだ例について説明したが、縦横の二次 元方向に配列して 、る場合も同様に隣接する投影領域間で重なり領域を設けるよう にするとよい。この場合、上下左右の 4方向に投影領域が隣接しているから、周囲の 4箇所に重なり領域が生じる。
尚、上述の例では、光源から出射する光の変調を加える装置として DMDを採用し たが、これに限らず、光の透過量を微小領域毎、即ち画素毎に調整可能な液晶装置 を用いてもよい。但し、コントラストの面では、液晶装置よりも DMDの方が好ましい。 また、上述の例では、 1層分のみ説明した力 立体モデルを造形するための行なわ れる複数層のそれぞれにおいて、重なり領域を設けることが望ましい。このとき、重な り領域の位置は、隣接する層間でずらすようにしてもよい。さらに、重なり領域の形状 自体を隣接する層間で異ならせるようにしてもょ 、。
産業上の利用可能性
本発明に力かる光造形方法は、例えば、マイクロリアクター、マイクロ機械部品、マ イク口光デバイス、マイクロセンサー、光学部品等の製造において用いることができる

Claims

請求の範囲
[1] 光硬化性榭脂液に選択的に光を照射して硬化榭脂層を形成し、該硬化榭脂層を 順次積層して立体モデルを形成する光造形方法であって、
前記光の照射は、投影領域を単位として、一括露光を繰り返すことにより実行し、 当該投影領域は、隣接する投影領域の境界部分に重なり領域を設けた光造形方 法。
[2] 前記投影領域の面積は、 100mm2以下であることを特徴とする請求項 1記載の光 造形方法。
[3] 前記硬化榭脂層の 1層の厚さは 10 μ m以下であることを特徴とする請求項 1記載 の光造形方法。
[4] 前記重なり領域における露光量を当該重なり領域以外の露光量と同等に調整した ことを特徴とする請求項 1記載の光造形方法。
[5] 第 1の投影領域と第 2の投影領域における重なり領域に関して、当該第 1の投影領 域における重なり領域の露光量は、前記第 2の投影領域の中央部に近づくにつれて 減少し、前記第 2の投影領域における重なり領域の露光量は、前記第 1の投影領域 の中央部に近づくにつれて減少して ヽることを特徴とする請求項 1記載の光造形方 法。
[6] 第 1の投影領域と第 2の投影領域における重なり領域に関して、当該第 1の投影領 域における重なり領域の露光量は、当該重なり領域以外の露光量の略半分であり、 前記第 2の投影領域における重なり領域の露光量は、当該重なり領域以外の露光量 の略半分であることを特徴とする請求項 1記載の光造形方法。
[7] 隣接する硬化榭脂層間で、前記重なり領域の位置をずらしたことを特徴とする請求 項 1記載の光造形方法。
[8] 隣接する硬化榭脂層間で、前記重なり領域の形状を変えたことを特徴とする請求 項 1記載の光造形方法。
[9] 前記光硬化性榭脂液は、ディジタルミラーデバイスによって反射された光によって 硬化することを特徴とする請求項 1記載の光造形方法。
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